2012년 시범 서비스를 시작한 한국형 공간정보오픈플랫폼브이월드는 전국의 2차원, 3차원 지도 및 행정정보를 손쉽게 활용할 수 있도록 다양한 서비스를 제공하고 있다. 그 중 3차원 지도 서비스는 건물 단위로 모델링 되어있어 모델 요청과 이를 화면에 그리는 드로우 콜(draw call)이 개별 건물 모델에 대해 필요하다. 이로 인해 발생하는 다수의 모델 요청과 드로우 콜이 central processing unit(CPU)와 graphic processing unit(GPU) 간의 전송 및 전환 과정에서 발생하는 대기 시간 증가를 야기해 3차원 지도 서비스의 성능이 감소한다. 본 논문에서는 다수의 모델 요청 및 드로우 콜로 인해 발생하는 3차원 지도 서비스의 성능 저하를 줄이기 위한 성능 개선안을 제안한다. 이를 위해, 단일 건물 모델이 아닌 여러 건물 모델을 타일로 병합한 3차원 타일 모델을 적용하여 모델 파일에 대한 요청수와 드로우 콜을 줄이고자 하였다. 추가적으로 쿼드트리(quadtree)알고리즘을 적용하여 화면에 그릴 영역에 필요한 모델의 탐색 시간 감소를 통해 모델 파일을 불러오는 요청 시간을 줄이고자 하였다. 이는 브이월드의 3차원 지도 서비스의 성능을 향상에 기여할 것으로 예상된다.
2012년 시범 서비스를 시작한 한국형 공간정보 오픈플랫폼 브이월드는 전국의 2차원, 3차원 지도 및 행정정보를 손쉽게 활용할 수 있도록 다양한 서비스를 제공하고 있다. 그 중 3차원 지도 서비스는 건물 단위로 모델링 되어있어 모델 요청과 이를 화면에 그리는 드로우 콜(draw call)이 개별 건물 모델에 대해 필요하다. 이로 인해 발생하는 다수의 모델 요청과 드로우 콜이 central processing unit(CPU)와 graphic processing unit(GPU) 간의 전송 및 전환 과정에서 발생하는 대기 시간 증가를 야기해 3차원 지도 서비스의 성능이 감소한다. 본 논문에서는 다수의 모델 요청 및 드로우 콜로 인해 발생하는 3차원 지도 서비스의 성능 저하를 줄이기 위한 성능 개선안을 제안한다. 이를 위해, 단일 건물 모델이 아닌 여러 건물 모델을 타일로 병합한 3차원 타일 모델을 적용하여 모델 파일에 대한 요청수와 드로우 콜을 줄이고자 하였다. 추가적으로 쿼드트리(quadtree) 알고리즘을 적용하여 화면에 그릴 영역에 필요한 모델의 탐색 시간 감소를 통해 모델 파일을 불러오는 요청 시간을 줄이고자 하였다. 이는 브이월드의 3차원 지도 서비스의 성능을 향상에 기여할 것으로 예상된다.
The V-world, korean type spatial information open platform, provides various services to easily utilize 2D, 3D map and administrative information of the country. Among them, V-world 3D map service, modeled in individual building unit, require requests for each building model file and the draw calls ...
The V-world, korean type spatial information open platform, provides various services to easily utilize 2D, 3D map and administrative information of the country. Among them, V-world 3D map service, modeled in individual building unit, require requests for each building model file and the draw calls for drawing models on the screen by the request. This causes a large number of model requests and draw calls to occur that increase the latency occurring during the transmission and conversion process between the central processing unit(CPU) and the graphic processing unit(GPU), which lead to the performance degradation of the 3D map service. In this paper, we propose a performance improvement plan to reduce the performance degradation of 3D map service caused by multiple model requests and draw calls. Therefore, we tried to reduce the number of requests and draw calls for the model file by applying a 3D tile model that combined multiple building models to single tile. In addition, we applied the quadtree algorithm to reduce the time required to load the model file by shortening the retrieval time of the model. This is expected to contribute to improving the performance of 3D map service of V-world.
The V-world, korean type spatial information open platform, provides various services to easily utilize 2D, 3D map and administrative information of the country. Among them, V-world 3D map service, modeled in individual building unit, require requests for each building model file and the draw calls for drawing models on the screen by the request. This causes a large number of model requests and draw calls to occur that increase the latency occurring during the transmission and conversion process between the central processing unit(CPU) and the graphic processing unit(GPU), which lead to the performance degradation of the 3D map service. In this paper, we propose a performance improvement plan to reduce the performance degradation of 3D map service caused by multiple model requests and draw calls. Therefore, we tried to reduce the number of requests and draw calls for the model file by applying a 3D tile model that combined multiple building models to single tile. In addition, we applied the quadtree algorithm to reduce the time required to load the model file by shortening the retrieval time of the model. This is expected to contribute to improving the performance of 3D map service of V-world.
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문제 정의
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 여러 건물들을 하나의 모델로 병합한 3차원 타일 모델과 빠른 영역 탐색이 가능한 쿼드트리(quadtree) 알고리즘을적용한 브이월드 3차원 지도 서비스의 개선안을 제안한다. 이는 여러 건물을 하나의 타일에 병합함으로써전체 모델의 수를 급격히 감소시켜 전체 모델에 대한 요청 수와 드로우 콜을 줄일 수 있다.
본 연구는 한국형 공간정보 오픈플랫폼 브이월드의 대표 서비스인 3차원 지도 서비스 성능을 개선하기 위하여 요청 수와 요청에 따른 로딩 시간을 감소시켜주는 3D Tiles의 B3DM과 렌더링 대상의 탐색 속도를 향상시켜 렌더링 시간을 감소시켜주는 쿼드트리 알고리즘을 적용한 서비스 개선안을 제안하였다.
제안 방법
72% 수준으로 감소하였다. 다음으로 쿼드트리 알고리즘 적용으로 인한 서비스 성능 향상을 파악하고자 B3DM을 적용한 타일 형식의 지도에 쿼드트리 알고리즘의 적용 여부에 따른 렌더링 속도를 비교하였다. 두 번째 실험을통해 쿼드트리 알고리즘을 적용한 경우 평균 fps는35.
두 번째 실험은 B3DM의 쿼드트리 적용 여부에 따른 렌더링 시간을 frame per second(fps)를 통해 측정하였다. 이 때 fps란 연속된 정지 사진들의 모음인 동영상에 대하여 초당 그릴 수 있는 사진 수를 나타낸다.
그 이유는 요청된 모델의 크기에 따라 한번의 드로우 콜로 처리 가능한 모델 크기의 최대치로 데이터를 분할하여 드로우 콜을 보내기 때문에 타일의 크기와 정밀도(level of detail) 등에 따라 드로우 콜 수가 상이하여 기준이불분명하다. 따라서 드로우 콜 수 대신 모델 요청 수를측정하였으며, 추가적으로 분할된 요청에 따라 달라지는 실제 렌더링 대기 시간을 알기 위해 전체 로딩 시간을 측정하였다. 데이터 로딩은 렌더링을 위한 선결조건이기 때문에 로딩 시간이 짧을수록 데이터를 서버로부터 빠르게 받아올 수 있어 데이터의 다운로드 지연으로 인한 렌더링 대기시간이 감소해 렌더링 속도가 증가한다.
하지만 동일한 하드웨어와 데이터를 사용할 경우 데이터의 그래픽 처리 속도는 동일하므로 나머지 요소가 렌더링 성능을 좌우할 수밖에 없다. 따라서 본 논문에서는 첫 번째 실험을 통해 요청에 따른 로딩 시간에 대하여 비교 실험을 하였고 두 번째 실험을 통해 동일 시간동안의 그래픽 처리량을 비교하였다.
따라서 본 연구에서는 브이월드의 3차원 지도 서비스를 통해 3차원 모델을 화면에 렌더링 할 때 현재 화면 구성에 필요한 3차원 타일을 빠르게 탐색 할 수 있는 쿼드트리를 활용하였다.
본 연구에서 제안하는 브이월드 3차원 지도 서비스개선안의 우수성을 검증하기 위해서, 먼저 기존에 제공하고 있는 브이월드의 3차원 지도 서비스의 방식인 개별 모델에 대한 요청 방식과 여러 모델을 하나의 타일에 묶어 전송하는 타일 기법 중 하나인 B3DM을 비교하기 위한 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험의 결과로요청 수는 892번에서 37번으로 약 4.
본 연구에서는 현재 브이월드의 3차원 지도 데이터구성이 2차원 벡터형태가 아닌 3차원 그래픽 모델로이루어져 있으며 이기종 건물들이 거의 모든 비중을 차지하고 있으므로, 3차원 데이터를 표현하는데 적합하며이기종 3차원 모델을 일괄 처리하는데 효과적인 3D Tiles의 B3DM을 이용하였다. 이를 통해 전체 모델에대한 요청 수 및 드로우 콜의 감소를 위해 개별적으로 모델링 되어 있는 건물들을 타일을 기반으로 병합하였다.
실험 방법은 B3DM만 적용한 서비스 방식과 쿼드트리를 추가로 적용한 서비스 방식 각각에 대하여 서울시 송파구의 일정 지역을 동일한 속도로 순환할 때의 fps를 반복 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 현재 브이월드의 3차원 지도 데이터구성이 2차원 벡터형태가 아닌 3차원 그래픽 모델로이루어져 있으며 이기종 건물들이 거의 모든 비중을 차지하고 있으므로, 3차원 데이터를 표현하는데 적합하며이기종 3차원 모델을 일괄 처리하는데 효과적인 3D Tiles의 B3DM을 이용하였다. 이를 통해 전체 모델에대한 요청 수 및 드로우 콜의 감소를 위해 개별적으로 모델링 되어 있는 건물들을 타일을 기반으로 병합하였다.
첫 번째 실험은 개별 건물 수준의 모델과 B3DM을활용한 모델의 렌더링 성능 비교를 위해 모델 요청 수 및 요청에 따른 전체 로딩 시간을 비교하였다. 그 이유는 요청된 모델의 크기에 따라 한번의 드로우 콜로 처리 가능한 모델 크기의 최대치로 데이터를 분할하여 드로우 콜을 보내기 때문에 타일의 크기와 정밀도(level of detail) 등에 따라 드로우 콜 수가 상이하여 기준이불분명하다.
본 연구에서는 브이월드의 3차원 지도 서비스의 성능 개선을 위하여 3D Tiles의 B3DM과 쿼드트리 알고리즘을 적용하였다. 현재 브이월드의 3차원 지도 서비스와 본 연구에서 제안하는 서비스 개선안을 동일한 환경에서 비교하기 어렵기 때문에 현재 브이월드에서 제공하는 서비스와 동일한 방식의 서비스와 본 연구에서 제안하는 서비스 방식을 동일한 조건으로 테스트 베드에 구축한 후 두 가지 실험을 통해 렌더링 성능을 비교하였다.
대상 데이터
실험에 쓰인 데이터는 브이월드가 대부분 건물 모델로 구성 되어있기 때문에, 다양한 고정밀 건물 모델이밀집된 지역 중 하나인 서울시 송파구에 위치한 일정 지역의 건물 모델 892개를 활용하였다. 이를 화면에 렌더링한 경우 Fig.
실험을 위한 테스트 베드는 윈도우 7 기반의 PC 2대를 서버와 클라이언트로 사용하였고 사용된 서버용 PC와 클라이언트용 PC의 주요 사양은 Table 1에 정리되어 있다.
이론/모형
본 연구에서는 브이월드의 3차원 지도 서비스의 성능 개선을 위하여 3D Tiles의 B3DM과 쿼드트리 알고리즘을 적용하였다. 현재 브이월드의 3차원 지도 서비스와 본 연구에서 제안하는 서비스 개선안을 동일한 환경에서 비교하기 어렵기 때문에 현재 브이월드에서 제공하는 서비스와 동일한 방식의 서비스와 본 연구에서 제안하는 서비스 방식을 동일한 조건으로 테스트 베드에 구축한 후 두 가지 실험을 통해 렌더링 성능을 비교하였다.
성능/효과
다음으로 쿼드트리 알고리즘 적용으로 인한 서비스 성능 향상을 파악하고자 B3DM을 적용한 타일 형식의 지도에 쿼드트리 알고리즘의 적용 여부에 따른 렌더링 속도를 비교하였다. 두 번째 실험을통해 쿼드트리 알고리즘을 적용한 경우 평균 fps는35.81로 B3DM만을 적용할 경우의 fps인 26.74보다133.92% 더 높다는 것을 확인 가능하였다. 이를 통해본 연구에서 제안한 서비스 방식을 브이월드 3차원 지도 서비스에 적용할 경우 명확한 서비스 성능 향상에 기여할 것이라고 생각한다.
이는 기하학적인 정보와 높이, 분류값 등 속성정보를포함하고 있어 클라이언트에서 이들 정보를 이용하여 3차원으로 렌더링을 수행하고, 속성정보를 함께 제공하므로 다양한 지도 스타일 적용이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 압축 알고리즘을 적용하여 기존 이미지 타일에 비해 전송되는 데이터양이 감소하여 빠른 로드와 효율적인 캐싱(caching)이 가능하다.
이를 통해 B3DM을 적용할 경우 모델 수가 급격히감소하지만 모델 유형에 따른 전체 데이터양은 크게 다르지 않다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 개별 건물 수준 모델과 B3DM의 차이는 B3DM의 모델에 추가되는헤더와 메타 데이터 이외의 새로운 모델이나 데이터가 추가되는 것이 아니기 때문이다.
7은 두 번째 실험의 결과로 표본 100개의 평균fps를 계산하였다. 이를 통해 쿼드트리 알고리즘을 적용하지 않을 경우의 평균 fps는 26.74로 쿼드트리 알고리즘을 적용한 경우의 평균 fps인 35.81보다 낮다는 것을 확인할 수 있었으며, 쿼드트리 알고리즘 적용으로 인해 fps가 약 33.92% 증가한다는 것을 확인 가능하였다.
개별 건물 수준모델의 경우 개별 모델을 모두 요청해야 하므로 해당 지역에 포함된 모든 건물 모델에 대한 요청이 필요하지만 본 연구에서 제안한 방법인 B3DM을 적용할 경우에는 타일로 병합된 모델들과 모델들의 메타 데이터 1개가 포함되어 37번의 요청이 필요하다. 즉 제안하는 서비스의 요청 수는 기존 서비스 방법의 요청 수의 4.15% 수준으로 감소하는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서 제안하는 브이월드 3차원 지도 서비스개선안의 우수성을 검증하기 위해서, 먼저 기존에 제공하고 있는 브이월드의 3차원 지도 서비스의 방식인 개별 모델에 대한 요청 방식과 여러 모델을 하나의 타일에 묶어 전송하는 타일 기법 중 하나인 B3DM을 비교하기 위한 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험의 결과로요청 수는 892번에서 37번으로 약 4.15% 수준으로 감소하였고, 요청에 따라 전체 모델을 로딩 하는 시간은21.89초에서 9.79초로 기존 방법에 비해 44.72% 수준으로 감소하였다. 다음으로 쿼드트리 알고리즘 적용으로 인한 서비스 성능 향상을 파악하고자 B3DM을 적용한 타일 형식의 지도에 쿼드트리 알고리즘의 적용 여부에 따른 렌더링 속도를 비교하였다.
후속연구
향후 연구로는 B3DM을 적용할 경우의 타일 수에 따른 요청 시간과 렌더링 시간을 확인해야 하며, 실제서비스를 적용할 경우 발생 가능한 데이터 크기에 따른 클라이언트와 서버의 부하 감소를 위한 압축기법 적용 등에 관한 추가연구가 필요하다. 또한 쿼드트리 알고리즘을 적용할 경우 렌더링 할 대상의 탐색 속도 향상을 위해, 렌더링 대상 선별 기준의 최적화를 위한 연구가필요하며, 쿼드트리 알고리즘이 아닌 추가적인 다른 알고리즘에 대한 비교 연구도 필요하다.
92% 더 높다는 것을 확인 가능하였다. 이를 통해본 연구에서 제안한 서비스 방식을 브이월드 3차원 지도 서비스에 적용할 경우 명확한 서비스 성능 향상에 기여할 것이라고 생각한다.
쿼드트리를 적용할 경우 fps가 증가하는 이유는 쿼드트리 알고리즘을 통해 현재 절두체에 포함된 영역을 큰 범위부터 탐색하여 현재 화면에 구성할 데이터를 빨리 탐색할 수 있기 때문에 탐색한 영역에 대한 렌더링 시간이 감소하기 때문에 fps가 증가한다. 즉 쿼드트리 알고리즘을 적용할 경우 화면에 3차원 모델을 더 부드럽게 그려낼 수 있으므로 3차원 지도 서비스 성능 제고에기여할 것이라고 예상된다.
향후 연구로는 B3DM을 적용할 경우의 타일 수에 따른 요청 시간과 렌더링 시간을 확인해야 하며, 실제서비스를 적용할 경우 발생 가능한 데이터 크기에 따른 클라이언트와 서버의 부하 감소를 위한 압축기법 적용 등에 관한 추가연구가 필요하다. 또한 쿼드트리 알고리즘을 적용할 경우 렌더링 할 대상의 탐색 속도 향상을 위해, 렌더링 대상 선별 기준의 최적화를 위한 연구가필요하며, 쿼드트리 알고리즘이 아닌 추가적인 다른 알고리즘에 대한 비교 연구도 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
쿼드트리란 무엇인가?
쿼드트리란 트리 데이터 구조로 공간을 재귀적 호출로 정확히 4개의 자식 노드로 분할하는 방법이다(Finkel et al., 1974).
Vector Tile의 단점은 무엇인가?
하지만 Vector Tile은 그래픽 모델이 아닌 2차원 벡터형태이므로 이를 3차원으로 렌더링하기 위해서는GPU에서 처리하기 위한 변환 과정이 추가로 필요하다는 단점이 존재한다.
타일링의 대표적인 공개 규격에는 어떤 것들이 있는가?
타일링은 하나의 미리 정의된 타일을 기반으로여러 데이터들을 묶어 한 번에 처리할 수 있도록 도와준다. 대표적인 공개 규격으로는 Mapbox의 Vector Tile와 Cesium의 3D Tiles가 있다.
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